DE69119356T2 - HIGH DENSITY AMPLIFICATION POINTING MAGNETORESISTIVE PLAYBACK HEAD WITH SHORT-CLOSED DOUBLE ELEMENT - Google Patents
HIGH DENSITY AMPLIFICATION POINTING MAGNETORESISTIVE PLAYBACK HEAD WITH SHORT-CLOSED DOUBLE ELEMENTInfo
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Description
Diese Erfindung betrifft einen magnetoresistiven Wiedergabekopf und insbesondere einen magnetoresistiven Kopf mit Doppelelement.This invention relates to a magnetoresistive reproducing head and, more particularly, to a dual-element magnetoresistive head.
Der magnetoresistive (MR) Wiedergabekopf hat auf dem Gebiet der magnetischen Aufzeichnung eine breite Zustimmung erlangt, seitdem er in der Druckschrift US-A-3 493 694 offenbart wurde. Der magnetoresistive Kopf ist durch eine hohe Leistung und geringes Rauschen gekennzeichnet, was ihn für die Wiedergabe von Signalen mit kurzer Wellenlänge besonders reizvoll macht. Er kann durch Dünnschicht-Aufdampfverfahren hergestellt werden, die eine verhältnismäßig billige Produktion von Mehrspurköpfen mit engen Magnetspurbreiten für Aufzeichnungsanwendungen mit hoher Dichte zulassen. An sich ist eine Vielfalt von abgeschirmten und ungeschirmten Anordnungen bekannt, die einzelne und doppelte magnetoresistive Elemente verwenden und eine Anzahl von Vormagnetisierungsverfahren enthalten.The magnetoresistive (MR) playback head has gained wide acceptance in the magnetic recording field since it was disclosed in US-A-3,493,694. The magnetoresistive head is characterized by high performance and low noise, which makes it particularly attractive for the playback of short wavelength signals. It can be manufactured by thin film vapor deposition techniques which allow relatively inexpensive production of multitrack heads with narrow magnetic track widths for high density recording applications. As such, a variety of shielded and unshielded arrangements are known, using single and dual magnetoresistive elements and incorporating a number of biasing techniques.
Magnetoresistive Magnetköpfe mit Doppelelement sind in den Druckschriften US-A-3 860 965 und US-A-4 878 140 offenbart. Die in diesen Patenten offenbarten Magnetköpfe weisen parallele, magnetoresistive Elemente auf, die durch dünne, elektrisch nichtleitende Schichten getrennt sind. Es ist an sich seit langem bekannt gewesen, daß magnetoresistive Strukturen, wie beispielsweise die obigen, deren Elemente durch dünne, elektrisch nichtleitende Distanzhalter getrennt sind, Kurzschlußproblemen ausgesetzt sind. Ein solches Kurzschließen kann infolge eines feinen Loches in dem nichtleitenden Distanzhalter entstehen oder beim Läppen des Magnetkopfes oder während des Betriebs des Magnetkopfes auftreten, wenn das scheuernde Magnetband bei einer Wiedergabe das weiche, magnetoresistive Element über dem Distanzhalter verschmutzen kann, indem es mit dem benachbarten, leitfähigen Material eine leitende Verbindung herbeiführt. Das ist zum Beispiel in Magnetköpfen vorgekommen, die eine weiche, benachbarte Schicht verwenden, die magnetisch vorgespannt ist, wobei ein magnetoresistives Element durch einen dünnen, elektrisch nichtleitenden Distanzhalter von einem leitfähigen, magnetischen Material getrennt ist, dessen Magnetfeld die Vorspannung im magnetoresistiven Element induziert. Die Druckschrift US-A-4 024 489 lehrt die Überwindung des Problems durch ein absichtlich leitendes Verbinden der magnetoresistiven Abtastschicht und der Vormagnetisierungsschicht durch Verwendung einer sehr dünnen (220 * 10&supmin;¹&sup0; m), benachbarten leitfähigen Trennschicht. Es wird jedoch festgestellt, daß die in der Druckschrift US-A-4 024 489 offenbarte Struktur bei einer vorgegebenen Verlustleistung im Magnetkopf zu einer Dämpfung des Signals aus dem einzelnen magnetoresistiven Wandler von 30% führt, weil der durch die leitfähige Nebenschlußschicht fließende Strom keinen Beitrag zum Signalausgang liefert.Dual element magnetoresistive magnetic heads are disclosed in US-A-3 860 965 and US-A-4 878 140. The magnetic heads disclosed in these patents comprise parallel magnetoresistive elements separated by thin electrically non-conductive layers. It has long been known that magnetoresistive structures such as the above, whose elements are separated by thin electrically non-conductive spacers, are subject to short-circuiting problems. Such short-circuiting can occur as a result of a pinhole in the non-conductive Spacers or can occur during lapping of the magnetic head or during operation of the magnetic head when the abrasive magnetic tape during playback can foul the soft magnetoresistive element above the spacer by creating a conductive connection with the adjacent conductive material. This has occurred, for example, in magnetic heads which use a soft adjacent layer which is magnetically biased, where a magnetoresistive element is separated by a thin electrically non-conductive spacer from a conductive magnetic material whose magnetic field induces the bias in the magnetoresistive element. US-A-4 024 489 teaches overcoming the problem by intentionally conductively connecting the magnetoresistive sensing layer and the bias layer by using a very thin (220 x 10-10 m) adjacent conductive separating layer. However, it is found that the structure disclosed in US-A-4 024 489 results in an attenuation of the signal from the single magnetoresistive transducer of 30% for a given power dissipation in the magnetic head because the current flowing through the conductive shunt layer makes no contribution to the signal output.
Die Druckschrift EP-A-0-063 397 beschreibt einen magnetischen Wandler mit zwei magnetostatisch gekoppelten, parallelen Schichten aus einem magnetoresistiven Werkstoff. Die Schichten sind um einen kleinen Betrag voneinander beabstandet, und es werden Mittel angewandt, um bei Betrieb einen Antriebsstrom zu den Schichten gleichzeitig zu liefern. Der Strom erzeugt eine magnetische Vorspannung jeder Schicht, so daß die Magnetisierungen dieser Schichten in entgegengesetzte Richtungen magnetisch vorgespannt sind. Die Signalausgangseinrichtung enthält Mittel zum Abtasten der Spannung über dem parallelen Widerstand der Schichten.EP-A-0-063 397 describes a magnetic transducer having two magnetostatically coupled parallel layers of a magnetoresistive material. The layers are spaced apart by a small amount and means are used to supply a drive current to the layers simultaneously in operation. The current creates a magnetic bias of each layer so that the magnetizations of these layers are magnetically biased in opposite directions. The signal output means includes means for sensing the voltage across the parallel resistance of the layers.
Die Druckschrift EP-A-0 101 825 offenbart einen magnetoresistiven Wandler zum Lesen von Daten, die bei einer magnetischen Aufzeichnung durch vertikales Aufzeichnen gespeichert worden sind. Der magnetoresistive Wandler besitzt zwei magnetoresistive Wandler, die ein elektrisches Ausgangssignal erzeugen, das der Differenz der vertikalen Komponente des Feldes an den beiden Wandlerstellen proportional ist. Die differentielle Signaladdition ist in den beiden Endeinrichtungen dieses Wandlers eingebaut, so daß die Veränderung des Widerstands zwischen den Anschlüssen mit einem zwischen den beiden Wandlerstreifen angeordneten vertikalen Übergang bei einem Maximum liegt. Die entsprechende Ausgangsspannung ist eingipflig, das heißt, daß die sie für örtlich folgende vertikale übergänge wechselnd positiv und negativ ist.Document EP-A-0 101 825 discloses a magnetoresistive transducer for reading data stored in a magnetic recording by vertical recording. The magnetoresistive transducer has two magnetoresistive transducers which generate an electrical output signal which is proportional to the difference in the vertical component of the field at the two transducer locations. The differential signal addition is built into the two terminals of this transducer so that the change in resistance between the terminals with a vertical transition arranged between the two transducer strips is at a maximum. The corresponding output voltage is single-ended, i.e. it is alternately positive and negative for locally successive vertical transitions.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel löst der magnetoresistive Magnetkopf mit Doppelelement der vorliegenden Erfindung das Kurzschlußproblem zwischen den zwei magnetoresistiven Elementen, (die beide als Abtastelemente und gegenseitig magnetisch vorspannende Elemente dienen), ohne den Nachteil einer Signalreduzierung infolge des Nebenschlusses des Abtaststromes zuzulassen.In a preferred embodiment, the dual element magnetoresistive magnetic head of the present invention solves the short circuit problem between the two magnetoresistive elements (both of which serve as sensing elements and mutually magnetically biasing elements) without incurring the penalty of signal reduction due to the shunting of the sensing current.
Die beiden identischen magnetoresistiven Elemente sind weder völlig voneinander isoliert noch durch einen benachbarten leitfähigen Distanzhalter entlang ihrer ganzen Längen leitend verbunden, sondern sind durch eine Isolierschicht getrennt, die an ihren Enden kurzschließende Stummel aufweist, um die magnetoresistiven Elemente elektrisch leitend zu verbinden. Ein an die leitend verbundenen Elemente angelegter Strom teilt sich in zwei gleiche Ströme auf, die durch die im wesentlichen identischen, magnetoresistiven Elemente in gleicher Richtung fließen, um die Vormagnetisierung zu erzeugen, und die als Abtastströme zum Erfassen der Widerstandsänderung eines Elements dienen. Durch den Distanzhalter wird kein Abtaststrom in den Nebenschluß gelegt. Wenn in der Isolierung des Distanzhalters ein Kurzschluß auftritt, dann fließt durch den Kurzschluß zwischen den angepaßten, magnetoresistiven Elementen kein Strom, weil er in jedem Element in die gleiche Richtung fließt und jedes Element so angepaßt ist, daß es denselben Widerstand aufweist. Über dem Kurzschluß gibt es keinen Spannungsunterschied, und deshalb stören die Kurzschlüsse zwischen den magnetoresistiven Elementen eine Erfassung der aufgezeichneten Signale nicht.The two identical magnetoresistive elements are neither completely isolated from each other nor conductively connected along their entire lengths by an adjacent conductive spacer, but are separated by an insulating layer having short-circuiting stubs at its ends to electrically connect the magnetoresistive elements. A current applied to the conductively connected elements splits into two equal currents which flow through the substantially identical magnetoresistive elements in the same direction to produce the bias magnetization and which serve as sensing currents for detecting the change in resistance of an element. The spacer does not Sensing current is placed in the shunt. If a short circuit occurs in the spacer insulation, no current will flow through the short circuit between the matched magnetoresistive elements because it flows in the same direction in each element and each element is matched to have the same resistance. There is no voltage difference across the short circuit and therefore the short circuits between the magnetoresistive elements do not interfere with detection of the recorded signals.
Außerdem werden bei der Ausübung der Erfindung die magnetoresistiven Elemente magnetisch vorgespannt, um in einer magnetisch ungesattigten Betriebsart betrieben zu werden. Das läuft auf eine "Ureingabe" von Signalen mit kurzer Wellenlänge hinaus, die das wiedergegebene Signal über einen breiten Bereich des Signalspektrums wirksam verstärkt. Das Entwurfskriterium für die Bestimmung des verstärkten Teils des Spektrums erfordert einen linearen Abstand zwischen den magnetoresistiven Elementen im Bereich des halben bis ganzen linearen Abstandes zwischen den auf dem Signalmedium aufgezeichneten Änderungen des Magnetflusses. Über diesen Bereich der Dicke des Distanzhalters ist die verstärkte Empfindlichkeit gegen die Trennung verhältnismäßig unempfindlich. Für eine magnetische Flußdichte mit kurzer Wellenlänge von 80*10³ Änderungen des Magnetflusses pro Zoll ist der Distanzhalter typischerweise mit einer Dicke von etwa 1 500 * 10&supmin;¹&sup0; m ausgewählt.Furthermore, in the practice of the invention, the magnetoresistive elements are magnetically biased to operate in a magnetically unsaturated mode. This amounts to a "primary input" of short wavelength signals which effectively amplifies the reproduced signal over a broad range of the signal spectrum. The design criterion for determining the amplified portion of the spectrum requires a linear spacing between the magnetoresistive elements in the range of half to one-half the linear spacing between the magnetic flux changes recorded on the signal medium. Over this range of spacer thickness, the amplified sensitivity is relatively insensitive to the separation. For a short wavelength magnetic flux density of 80*10³ flux changes per inch, the spacer is typically selected to have a thickness of about 1500*10⁻¹⁰m.
Die Erfindung wird mit Bezug auf die Fig. beschrieben.The invention is described with reference to the figures.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention is explained in more detail below using an embodiment shown in the drawing.
Es zeigenShow it
Fig. 1 die Zeichnung eines in Kontakt mit einem bespielten Magnetband befindlichen magnetoresistiven Doppelmagnetkopfes nach der Erfindung;Fig. 1 is a drawing of a magnetoresistive double magnetic head according to the invention in contact with a recorded magnetic tape;
Fig. 2 die schematische Zeichnung der Widerstände der magnetoresistiven Elemente des Magnetkopfes der Fig. 1;Fig. 2 is a schematic drawing of the resistances of the magnetoresistive elements of the magnetic head of Fig. 1;
Fig. 3a das gegenseitige magnetische Vorspannen der magnetoresistiven Elemente des Magnetkopfes der Erfindung;Fig. 3a shows the mutual magnetic biasing of the magnetoresistive elements of the magnetic head of the invention;
Fig. 3b eine Kurve der teilweisen Veränderung des Widerstands der entgegengesetzt magnetisch vorgespannten, magnetoresistiven Elemente als Funktion des angelegten magnetischen Feldes;Fig. 3b is a curve of the partial change in resistance of the oppositely magnetically biased magnetoresistive elements as a function of the applied magnetic field;
Fig. 4 eine Kurve der teilweisen Veränderung des Widerstands der magnetoresistiven Elemente des Magnetkopfes der Erfindung für ein angelegtes Signal;Fig. 4 is a graph of the partial variation of the resistance of the magnetoresistive elements of the magnetic head of the invention for an applied signal;
Fig. 5a, 5b, 5c die durch den Magnetkopf der Erfindung gezeigte Signalverstärkungswirkung;Fig. 5a, 5b, 5c show the signal amplification effect shown by the magnetic head of the invention;
Fig. 6 eine Kurve des Ausgangssignalpegels als Funktion der aufgezeichneten magnetischen Flußdichte für den Magnetkopf der Erfindung im Vergleich zu der eines ungeschirmten, magnetoresistiven Magnetkopfes, undFig. 6 is a curve of the output signal level as a function of the recorded magnetic flux density for the magnetic head of the invention compared to that of an unshielded magnetoresistive magnetic head, and
Fig. 7 die Zeichnung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Magnetkopfes der Erfindung.Fig. 7 is a drawing of a second embodiment of the magnetic head of the invention.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die magnetoresistiven Elemente an ihren Enden in Längsrichtung miteinander elektrisch leitend verbunden, aber von dem Rest ihrer Längen durch einen elektrisch nichtleitenden Distanzhalter getrennt. Mit Bezug auf die Fig. 1 besteht der magnetoresistive Doppelmagnetkopf 70 aus zwei magnetisch, elektrisch und geometrisch angepaßten magnetoresistiven Elementen 72, 74. Die magnetoresistiven Elemente 72, 74 werden durch einen nicht leitfähigen Distanzhalter 76 über im wesentlichen ihre ganzen Längen getrennt. An den Enden des Distanzhalters 76 in Längsrichtung befinden sich zwei elektrisch kurzschließende Stummel 78, 80 von gleicher Breite wie der Distanzhalter 76, welche die beiden magnetoresistiven Elemente miteinander leitend verbinden. Ein zu dem Magnetkopf 70 über die Anschlußzuleitungen 84, 86 fließender Abtast- und Vormagnetisierungsstrom 82 teilt sich zwischen den beiden magnetoresistiven Elementen 72, 74 in die gleichen Ströme 88, 90 auf, weil die magnetoresistiven Elemente 72, 74 identisch sind und wegen der elektrisch kurzschließenden Stummel 78, 80. Mit Bezug auf die Fig. 2 ist die äquivalente elektrische Schaltung der Anordnung des magnetoresistiven Kopfes 70 mit dem Strom 82 zu sehen, der in den parallel liegenden Widerstand R&sub7;&sub2;, welcher der Widerstand des magnetoresistiven Elements 72 ist, und in den Widerstand R&sub7;&sub4; fließt, welcher derjenige des magnetoresistiven Elements 74 ist.In a preferred embodiment of the invention, the magnetoresistive elements are electrically connected to one another at their ends in the longitudinal direction, but are separated from the rest of their lengths by an electrically non-conductive spacer. With reference to Fig. 1 The magnetoresistive double magnetic head 70 consists of two magnetically, electrically and geometrically matched magnetoresistive elements 72, 74. The magnetoresistive elements 72, 74 are separated by a non-conductive spacer 76 over essentially their entire lengths. At the ends of the spacer 76 in the longitudinal direction there are two electrically short-circuiting stubs 78, 80 of the same width as the spacer 76, which conductively connect the two magnetoresistive elements to one another. A sensing and bias current 82 flowing to the magnetic head 70 via the lead wires 84, 86 is split between the two magnetoresistive elements 72, 74 into the same currents 88, 90 because the magnetoresistive elements 72, 74 are identical and because of the electrically shorting stubs 78, 80. Referring to Fig. 2, the equivalent electrical circuit of the magnetoresistive head 70 arrangement can be seen with the current 82 flowing into the parallel resistor R₇₂, which is the resistance of the magnetoresistive element 72, and into the resistor R₇₄, which is that of the magnetoresistive element 74.
Es wird vorausgesetzt, daß beispielsweise infolge eines feinen Lochs in dem nichtleitenden Distanzhalter 76 zwischen den magnetoresistiven Elementen 72, 74 ein versehentlicher elektrischer Kurzschluß 92 auftritt. Wegen der im wesentlichen identischen charakteristischen Merkmale der magnetoresistiven Elemente 72, 74 und der Gleichheit der Ströme 88, 90 sind die Spannungen e&sub1;, e&sub2; entlang der Länge von jedem der magnetoresistiven Elemente 72, 74 gleichgroß. Das heißt, daß in der elektrisch leitenden Verbindung 92 kein Strom fließt und die Verteilung der Ströme in den magnetoresistiven Elementen durch die elektrisch leitende Verbindung 92 unverändert ist. Deshalb sind die Vormagnetisierung und der Nutzeffekt des Signals, die Funktionen der Abtastströme 88, 90 darstellen, bei Betrieb gegen das Vorhandensein von Kurzschlüssen fest.It is assumed that an accidental electrical short circuit 92 occurs between the magnetoresistive elements 72, 74, for example due to a pinhole in the non-conductive spacer 76. Because of the substantially identical characteristics of the magnetoresistive elements 72, 74 and the equality of the currents 88, 90, the voltages e₁, e₂ are equal along the length of each of the magnetoresistive elements 72, 74. That is, no current flows in the electrically conductive connection 92 and the distribution of currents in the magnetoresistive elements is unchanged by the electrically conductive connection 92. Therefore, the bias and the efficiency of the signal, which are functions of the sense currents 88, 90, are during operation against the presence of short circuits.
Die magnetoresistiven Dünnschichtelemente 72, 74 weisen eine rechtwinklige Form auf. Diese Gestaltung läuft auf eine anisotrope Form der magnetoresistiven Schicht hinaus, die sich entlang der Längsachse der Schicht befindet und die außerdem in Richtung der nicht vorgespannten Magnetisierung der Schicht liegt. Wie es weiter unten erläutert wird, dreht die Vorspannung die Magnetisierung aus dieser axialen Richtung um, und die Signale aus dem Medium modulieren Weiterhin die Position der Magnetisierung, indem sich der Schichtwiderstand verändert. Es ist anzumerken, daß die Signalfelder vom Band 30 entlang der kurzen Abmessungen der magnetoresistiven Elemente 72, 74 gerichtet sind. Die Breite der Sandwich-Anordnung in Längsrichtung ist normalerweise gleichgroß oder etwas kleiner als eine Spurbreite der auf dem Band 30 aufgezeichneten Daten. Die Werte der Parameter des Magnetkopfes werden durch die Anwendung festgelegt. Zum Beispiel sind die geeigneten Parameter in einem mit einer Spurbreite von 50 Mikrometern und mit 80*10³ Änderungen des magnetischen Flusses pro Zoll arbeitenden Magnetkopf:The thin film magnetoresistive elements 72, 74 have a rectangular shape. This design results in an anisotropic shape of the magnetoresistive layer that is located along the longitudinal axis of the layer and that is also in the direction of the unbiased magnetization of the layer. As will be explained below, the bias voltage flips the magnetization from this axial direction and the signals from the medium further modulate the position of the magnetization by changing the sheet resistance. It should be noted that the signal fields from the tape 30 are directed along the short dimensions of the magnetoresistive elements 72, 74. The width of the sandwich in the longitudinal direction is typically equal to or slightly less than a track width of the data recorded on the tape 30. The values of the parameters of the magnetic head are determined by the application. For example, the appropriate parameters in a magnetic head operating with a track width of 50 micrometers and with 80*10³ changes in magnetic flux per inch are:
Die Breiten der magnetoresistiven Elemente 72, 74 und des Distanzhalters 76 gleich 50 Mikrometer, die Dicken der magnetoresistiven Elemente 72, 74 ungefähr gleich 250 * 10&supmin;¹&sup0; m, die Dicke des Distanzhalters 76 gleich 1 500 * 10&supmin;¹&sup0; m und die Höhen der magnetoresistiven Elemente 72, 74 und des Distanzhalters 76 gleich 5 Mikrometer.The widths of the magnetoresistive elements 72, 74 and the spacer 76 are equal to 50 micrometers, the thicknesses of the magnetoresistive elements 72, 74 are approximately equal to 250 * 10⁻¹⁰ m, the thickness of the spacer 76 is equal to 1 500 * 10⁻¹⁰ m and the heights of the magnetoresistive elements 72, 74 and the spacer 76 are equal to 5 micrometers.
Der magnetoresistive Kopf 70 ist dann in Kontakt mit einem Magnetband 30 zu sehen, der über seine gesamte Länge abwechselnd magnetisierte Abschnitte 32, 34, 36, 38, 40 aufweist, die die auf dem Band 30 aufgezeichnete Information enthalten. Eine Wellenlänge des auf dem Magnetband 30 aufgezeichneten Signals umfaßt zwei benachbarte, entgegengesetzt gerichtete magnetisierte Bereiche, zum Beispiel die durch die Pfeile 32 und 34 bedeckten Bereiche. Die Zahl der wechselnd magnetisierten Abschnitte 32, 34, 36, 38, 40 pro Zoll ist die Anzahl der Änderungen des auf dem Band 30 aufgezeichneten magnetischen Flusses pro Zoll.The magnetoresistive head 70 is then seen in contact with a magnetic tape 30 having, over its entire length, alternately magnetized sections 32, 34, 36, 38, 40 containing the information recorded on the tape 30. A wavelength of the information recorded on the magnetic tape 30 signal comprises two adjacent, oppositely directed magnetized regions, for example the regions covered by arrows 32 and 34. The number of alternately magnetized sections 32, 34, 36, 38, 40 per inch is the number of changes in the magnetic flux recorded on the tape 30 per inch.
Mit Bezug auf die Fig. 3a erzeugen die in den magnetoresistiven Elementen 72, 74 in dieselbe Richtung fließenden Ströme 88, 90 diejenigen magnetischen Felder, welche die gegenseitige Vormagnetisierung der Elemente 72, 74 ergeben&sub1; weil jedes der magnetoresistiven Elemente, die ebenso Feldabtastelemente sind, wie eine weiche, benachbarte, magnetisch vorspannende Schicht auf die andere wirkt. Wenn die Elemente 72, 74 magnetisch und geometrisch gleich sind und weil die Amplituden der Ströme 88, 90 die gleichen sind, ist das Vormagnetisierungsfeld HB am Element 72 infolge der Wirkung der weichen, benachbarten, magnetisch vorspannenden Schicht des magnetoresistiven Elements 74 in der Größe gleich und im Vorzeichen entgegengesetzt zum Vormagnetisierungsfeld -HB am Element 74 infolge der weichen, benachbarten Vormagnetisierungswirkung des magnetoresistiven Elements 72. Wie es an sich bekannt ist, dreht beim magnetischen Vorspannen der magnetoresistiven Elemente 72, 74 das magnetische Feld HB die Magnetisierung des magnetoresistiven Elements 72 in die eine Richtung um, und das Feld -HB dreht die Magnetisierung des magnetoresistiven Elements 74 mit einem gleichen Betrag in die entgegengesetzte Richtung um.Referring to Fig. 3a, the currents 88, 90 flowing in the same direction in the magnetoresistive elements 72, 74 produce those magnetic fields which result in the mutual biasing of the elements 72, 74 because each of the magnetoresistive elements, which are also field sensing elements, acts like a soft, adjacent, magnetically biasing layer on the other. When the elements 72, 74 are magnetically and geometrically equal and because the amplitudes of the currents 88, 90 are the same, the bias field HB at the element 72 due to the action of the soft, adjacent, magnetically biasing layer of the magnetoresistive element 74 is equal in magnitude and opposite in sign to the bias field -HB at the element 74 due to the soft, adjacent biasing action of the magnetoresistive element 72. As is well known, when the magnetoresistive elements 72, 74 are magnetically biased, the magnetic field HB reverses the magnetization of the magnetoresistive element 72 in one direction and the -HB field reverses the magnetization of the magnetoresistive element 74 in the opposite direction by an equal amount.
Mit Bezug auf die Fig. 3b stellen die Kurven 42, 42 eine symmetrische Veränderung des Widerstands gegenüber Kurven des magnetischen Feldes für die magnetisch vorgespannten, magnetoresistiven Elemente 72, 74 dar. Wie es oben beschrieben ist, weisen die Vormagnetisierungsfelder in den Elementen 72, 74 gleiche Amplituden aber entgegengesetzte Vorzeichen auf, und die Elemente 72, 74 selbst sind magnetisch angepaßt. Deshalb sind die Kurven 42, 42 (die den magnetoresistiven Elementen 72 bzw. 74 willkürlich zugewiesen sind) im wesentlichen identisch und gegenüber dem Original um die angelegten Vormagnetisierungsfelder symmetrisch verschoben. Die horizontale Achse der Fig. 3b ist das angelegte Signalfeld HS, wobei es ersichtlich sein wird, daß bei fehlendem angelegten Signalfeld der unbewegte Vormagnetisierungspunkt 44 auf den entgegengesetzt abfallenden Seiten der Kurven 42, 42 symmetrisch angeordnet ist.Referring to Fig. 3b, the curves 42, 42 represent symmetrical resistance versus magnetic field variation curves for the magnetically biased magnetoresistive elements 72, 74. As described above, the bias fields in the elements 72, 74 have equal amplitudes but opposite signs, and the elements 72, 74 themselves are magnetically matched. Therefore, the curves 42, 42 (which are arbitrarily assigned to the magnetoresistive elements 72 and 74 respectively) are essentially identical and symmetrically shifted from the original by the applied bias fields. The horizontal axis of Fig. 3b is the applied signal field HS, and it will be seen that in the absence of an applied signal field the stationary bias point 44 is symmetrically arranged on the oppositely sloping sides of the curves 42, 42.
Die Druckschrift US-A-4 833 560, die demselben Bevollmächtigten wie dem der vorliegenden Anmeldung zugeordnet ist, lehrt das Ausrichten der induzierten, anisotropen Felder eines magnetoresistiven Elements und einer benachbarten magnetisch vorspannenden Schicht, so daß ihre induzierten, anisotropen Felder in den gleichen Richtungen entlang der kurzen Abmessung der rechtwinkligen, magnetoresistiven Elemente liegen. In der vorliegenden Erfindung wird daran erinnert, daß jedes der magnetoresistiven Elemente 72, 74 zusätzlich zu seiner Rolle als Signaldetektor wie eine weiche, benachbarte Schicht zum magnetischen Vorspannen des anderen Elements wirkt. Die induzierten anisotropen Felder der magnetoresistiven Elemente der vorliegenden Erfindung können so hergestellt werden, daß sie in Richtung der Vormagnetisierungsfelder auf den magnetoresistiven Elementen liegen, d.h. entlang der kurzen Abmessungen der magnetoresistiven Elemente 72, 74, wie es durch die Druckschrift US-A-4 833 560 gelehrt wird.US-A-4 833 560, assigned to the same assignee as the present application, teaches aligning the induced anisotropic fields of a magnetoresistive element and an adjacent magnetic biasing layer so that their induced anisotropic fields lie in the same directions along the short dimension of the rectangular magnetoresistive elements. In the present invention, it will be recalled that each of the magnetoresistive elements 72, 74, in addition to its role as a signal detector, acts as a soft adjacent layer for magnetically biasing the other element. The induced anisotropic fields of the magnetoresistive elements of the present invention can be made to lie in the direction of the bias fields on the magnetoresistive elements, i.e., along the short dimensions of the magnetoresistive elements 72, 74, as taught by US-A-4,833,560.
Mit Bezug wieder auf die Fig. 1 wird ersichtlich, daß die dargestellte, auf dem Band 30 aufgenommene, Wellenlänge eine solche ist, daß die halbe Wellenlänge einer Trennung zwischen den magnetoresistiven Elementen 72, 74 gleichgroß ist. Unter dieser Bedingung sind die magnetischen Felder vom Band 30 auf den Elementen 72, 74 um 180º phasenverschoben. In der Fig. 4 ist wiederum die Veränderung des Widerstands gegenüber den Kurven 42, 42 des magnetischen Felds zusammen mit einem an das magnetoresistive Element 72 angelegten Signalfeld 48 dargestellt (darauf bezieht sich die Kurve 42), während an das magnetoresistive Element 74 das Signalfeld 50 angelegt ist (darauf bezieht sich die Kurve 42 ). Die Wellenlänge der Signale 48, 50 ist gleich dem Zweifachen der Trennung der magnetoresistiven Elemente 72, 74, und deshalb sind die Signale 48, 50 um 180º phasenverschoben. Die Signale 48, 50 bewegen den Widerstand der magnetoresistiven Elemente 72, 74 um die Vormagnetisierungspunkte 44, wobei die Veränderung des Widerstands für das magnetoresistive Element 72 in der Wellenform 52 dargestellt ist, während die für das magnetoresistive Element 74 in der Wellenform 54 dargestellt ist. Es wird richtig einzuschätzen sein, daß die von den obigen Veränderungen des Widerstands abgeleiteten Ausgangssignale in den beiden elektrisch parallel geschalteten, magnetoresistiven Elementen phasengleich sind und deshalb die sich daraus ergebenden Spannungen des Ausgangssignals infolge der Abtastströme 88, 90 ebenfalls phasengleich sind.Referring again to Fig. 1, it can be seen that the wavelength shown recorded on the tape 30 is such that half the wavelength is equal to a separation between the magnetoresistive elements 72, 74. Under this condition, the magnetic fields from the tape 30 to the elements 72, 74 are 180º out of phase. In Fig. 4, the variation in resistance with respect to the magnetic field curves 42, 42 is again shown together with a signal field 48 applied to the magnetoresistive element 72 (to which the curve 42 refers) while the signal field 50 is applied to the magnetoresistive element 74 (to which the curve 42 refers). The wavelength of the signals 48, 50 is equal to twice the separation of the magnetoresistive elements 72, 74 and therefore the signals 48, 50 are 180º out of phase. The signals 48, 50 move the resistance of the magnetoresistive elements 72, 74 about the bias points 44, the change in resistance for the magnetoresistive element 72 being shown in waveform 52 while that for the magnetoresistive element 74 is shown in waveform 54. It will be appreciated that the output signals derived from the above changes in resistance in the two magnetoresistive elements electrically connected in parallel are in phase and therefore the resulting voltages of the output signal due to the sense currents 88, 90 are also in phase.
Die Funktion der Erfindung, die Verstärkung eines mit kurzer Wellenlänge reproduzierten Signals zu bewirken, kann durch Bezug auf die Fig. 5a, 5b und 5c verständlich werden, wobei die durch das magnetische Feld des aufgezeichneten Mediums bespielten Teile, die induzierte Magnetisierung in den magnetoresistiven Elementen und die induzierten Felder in den magnetoresistiven Elementen gezeigt werden. (Die in diesen Fig. dargestellten Ergebnisse treten tatsächlich gleichzeitig auf, und alle Felder sind zur gleichen Zeit vorhanden. Wegen der Klarheit sind sie in den Fig. als aufeinanderfolgend vorkommend dargestellt). In der Fig. 5a wird ein Teil des magnetisierten Mediums 30 veranschaulicht, das unter dem magnetoresistiven Element 72 und dem magnetoresistiven Element 74 hindurchläuft. Die im Medium 30 aufgezeichnete positive Magnetisierung 36 (wobei willkürlich festgelegt ist, daß sie in der Fig. 5a nach links zeigt) und negative Magnetisierung 34 (in entgegengesetzte Richtung) verursachen einen Anstieg am Signalfeld HS. Die Fig. 5a veranschaulicht die Bedingung, wo der Abstand zwischen den Übergängen von der positiven Magnetisierung zur negativen Magnetisierung in dem Medium 30 ungefähr gleich dem Trennungsabstand zwischen dem magnetoresistiven Element 72 und dem magnetoresistiven Element 74 ist. Dieses ist die Bedingung für eine Signalverstärkung; wie es jedoch zuvor angemerkt wird, ist die Reaktion auf die Dicke des Distanzhalters verhältnismäßig unempfindlich, wenn sie sich im Bereich des halben bis ganzen Abstands zwischen den Übergängen befindet. Wie es in der Fig. 5a gezeigt wird, schneidet ein Teil des Signalfeldes HS die untere Bahn des magnetischen Widerstands durch die magnetoresistiven Elemente 72 und 74. In der Fig. 5a nicht dargestellt aber doch vorhanden und für den Betrieb der Vorrichtung notwendig sind die in Beziehung zu der Vormagnetisierung stehenden und zuvor erörterten statischen Felder. Das in der Fig. 5a dargestellte Feld HS ist infolge der Magnetisierung im Medium ein dynamisch zunehmendes Feld. Beim Queren des die magnetoresistiven Elemente enthaltenden, magnetisch weichen Materials induziert das HS-Feld im magnetoresistiven Element 72 eine Magnetisierung M&sub7;&sub2; und im magnetoresistiven Element 74 eine Magnetisierung M&sub7;&sub4;. Die induzierten Magnetisierungen M&sub7;&sub2; und M&sub7;&sub4; sind ebenfalls zunehmend, da sie sich aus dem Signalfeld HS ergeben. Weil sowohl das magnetoresistive Element 72 als auch das magnetoresistive Element 74 auf den linearen Abschnitten ihrer Magnetisierungskurven arbeiten, wird es richtig eingeschätzt, daß die Größenordnung der induzierten Magnetisierungen M&sub7;&sub2; und M&sub7;&sub4; der Stärke des Feldes H&sub5; direkt proportional ist.The function of the invention to effect the amplification of a short wavelength reproduced signal can be understood by reference to Figures 5a, 5b and 5c which show the portions recorded by the magnetic field of the recorded medium, the induced magnetization in the magnetoresistive elements and the induced fields in the magnetoresistive elements. (The results shown in these figures are actually simultaneous and all fields are present at the same time. For clarity they are shown in the figures as occurring sequentially.) In Figure 5a there is illustrated a portion of the magnetized medium 30 which is under the magnetoresistive element 72 and the magnetoresistive element 74. The positive magnetization 36 (arbitrarily chosen to point to the left in Figure 5a) and negative magnetization 34 (in the opposite direction) recorded in the medium 30 cause an increase in the signal field HS. Figure 5a illustrates the condition where the distance between the transitions from positive magnetization to negative magnetization in the medium 30 is approximately equal to the separation distance between the magnetoresistive element 72 and the magnetoresistive element 74. This is the condition for signal amplification; however, as previously noted, the response to the thickness of the spacer is relatively insensitive when it is in the range of half to full distance between the transitions. As shown in Fig. 5a, a portion of the signal field HS intersects the lower path of magnetoresistance through the magnetoresistive elements 72 and 74. Not shown in Fig. 5a but present and necessary for operation of the device are the bias-related static fields discussed previously. The field HS shown in Fig. 5a is a dynamically increasing field due to magnetization in the medium. As it traverses the magnetically soft material containing the magnetoresistive elements, the HS field induces a magnetization M₇₂ in the magnetoresistive element 72 and a magnetization M₇₄ in the magnetoresistive element 74. The induced magnetizations M₇₂ and M₇₄ are also increasing since they result from the signal field HS. Because both the magnetoresistive element 72 and the magnetoresistive element 74 operate on the linear portions of their magnetization curves, it is correctly estimated that the magnitude of the induced magnetizations M₇₂ and M₇₄ is directly proportional to the strength of the field H₅.
Mit Bezug jetzt auf die Fig. 5b ist die im magnetoresistiven Element 74 durch das Signalfeld H&sub5; der Fig. 5a induzierte Magnetisierung M&sub7;&sub4; dargestellt, aber die Feldlinien des erzeugenden Feldes HS sind wegen der Klarheit weggelassen. Die induzierte Magnetisierung M&sub7;&sub4; des magnetoresistiven Elements 74 in der Fig. 5b verursacht einen Anstieg im Feld H&sub7;&sub4;. Die magnetischen Kraftlinien aus dem Feld H&sub7;&sub4; erstrecken sich zu dem magnetoresistiven Element 72 und werden durch dieses aufgefangen. Die aufgefangenen magnetischen Kraftlinien aus dem Feld H&sub7;&sub4; induzie ren in dem magnetoresistiven Element 72 eine zusätzliche Magnetisierung M&sub7;&sub2;. Es wird richtig eingeschätzt, daß die Richtung des Felds H&sub7;&sub4; auf dem magnetoresistiven Element 72 nach unten verläuft, und wieder mit Bezug auf die Fig. 5a wird es ersichtlich, daß das Feld H&sub7;&sub4; mit der Richtung zum Verstärken des Feldes HS verbunden ist, das ursprünglich am Feld H&sub7;&sub4; einen Anstieg verursacht hat. Somit moduliert das Feld H&sub7;&sub4; ferner die Winkelposition des Magnetisierungsvektors des magnetoresistiven Elements 72 und verändert außerdem die magnetische Widerstandsänderung des magnetoresistiven Elements 72. Mit Bezug auf die Fig. 5c läuft die induzierte Magnetisierung M&sub7;&sub2; des magnetoresistiven Elements 72 auch auf ein Feld H&sub7;&sub2;, hinaus, dessen magnetische Kraftlinien ihrerseits durch das magnetoresistive Element 74 aufgefangen werden. Das Feld H&sub7;&sub2;, verläuft auf dem magnetoresistiven Element 74 nach oben, und wieder mit Bezug auf die Fig. 5b ist anzumerken, daß das Feld H&sub7;&sub2;, die Magnetisierung M&sub7;&sub4; verstärkt, die das Feld H&sub7;&sub4; weiter vergrößert. Diese Wirkung der "Ureingabe" zwischen den beiden magnetoresistiven Elementen und dem Signal aus dem Medium erzeugt ein vergrößertes Ausgangssignal von den magnetoresistiven Elementen in einer vorgegebenen Intensität der Magnetisierung des Mediums.Referring now to Figure 5b, the magnetization M74 induced in the magnetoresistive element 74 by the signal field H5 of Figure 5a is shown, but the field lines of the generating field HS are omitted for clarity. The induced magnetization M74 of the magnetoresistive element 74 in Figure 5b causes an increase in the field H74. The magnetic lines of force from the field H74 extend to and are captured by the magnetoresistive element 72. The captured magnetic lines of force from the field H74 induce an additional magnetization M72 in the magnetoresistive element 72. It is correctly appreciated that the direction of the field H74 on the magnetoresistive element 72 is downward, and referring again to Fig. 5a, it will be seen that the field H74 is associated with the direction of amplifying the field HS which originally caused the field H74 to increase. Thus, the field H74 further modulates the angular position of the magnetization vector of the magnetoresistive element 72 and also changes the magnetic resistance change of the magnetoresistive element 72. Referring to Fig. 5c, the induced magnetization M72 of the magnetoresistive element 72 also results in a field H72, the magnetic lines of force of which are in turn captured by the magnetoresistive element 74. The field H72 extends upward on the magnetoresistive element 74, and again referring to Figure 5b, it is noted that the field H72 amplifies the magnetization M74, which further amplifies the field H74. This "primary input" action between the two magnetoresistive elements and the signal from the medium produces an amplified output signal from the magnetoresistive elements at a given intensity of the magnetization of the medium.
Wenn sich das Medium um die halbe Wellenlänge bewegt, d.h. um den Abstand einer Änderung des magnetischen Signalflusses relativ zum Magnetkopf, weist die Magnetisierung in dem Medium unter dem magnetoresistiven Element 72 und unter dem magnetoresistiven Element 74 Vorzeichen auf, die zu den oben beschriebenen entgegengesetzt sind. Es wird richtig eingeschätzt, daß sich daraus ergebend die Richtungen von allen induzierten Feldern und die Magnetisierungen ebenfalls die Vorzeichen ändern, und die Gesamtwirkung eine fortgesetzte Verstärkung des Signalfelds ist, wie es oben beschrieben wird. Die "Ureingabe" verbessert wiederum die Wirkung des Signalfelds HS auf dem magnetoresistiven Element 72 und somit findet eine Verstärkung für beide Vorzeichen des wechselnden Signalmagnetfelds des Mediums statt.When the medium moves by half the wavelength, i.e. the distance of a change in the magnetic signal flux relative to the magnetic head, the magnetization in the medium under the magnetoresistive element 72 and under the magnetoresistive element 74 has signs opposite to those described above. It will be appreciated that as a result the directions of all induced fields and the magnetizations also change signs and the overall effect is a continued amplification of the signal field as described above. The "original input" in turn enhances the effect of the signal field HS on the magnetoresistive element 72 and thus amplification takes place for both signs of the changing signal magnetic field of the medium.
Mit Bezug auf die Fig. 6 stellt die Kurve 100 eine Skizze der Empfindlichkeit eines elektrisch leitend verbundenen, magnetoresistiven Doppelmagnetkopfes entsprechend der Erfindung dar, und im Vergleich dazu zeigt die Kurve 102 die entsprechende Empfindlichkeit eines ungeschirmten&sub1; einzelnen Magnetkopfes mit magnetoresistivem Element. Es ist an sich bekannt, daß der Magnetkopf der Kurve 102 aus einem magnetoresistiven Element besteht, das aus einer äußeren, festen Vormagnetisierungsquelle, wie beispielsweise einem Dauermagnet, magnetisch vorgespannt wird. Ein Vergleich der Kurven 100, 102 zeigt die bei kurzen Wellenlängen erzielte Verbesserung mit einem magnetoresistiven, elektrisch leitend verbundenen Doppelmagnetkopf.Referring to Figure 6, curve 100 represents a plot of the sensitivity of an electrically connected dual magnetoresistive head according to the invention, and in comparison curve 102 shows the corresponding sensitivity of an unshielded single magnetoresistive head. It is well known that the magnetic head of curve 102 consists of a magnetoresistive element which is magnetically biased by an external, fixed bias source such as a permanent magnet. A comparison of curves 100, 102 shows the improvement achieved at short wavelengths with a magnetoresistive electrically connected dual magnetoresistive head.
Wie es zuvor beschrieben wurde, steigt die Verstärkung bei kürzeren Wellenlängen an, wenn die Trennung der Änderungen des magnetischen Flusses auf dem Medium von derselben Größenordnung oder Größe ist wie der Abstand zwischen den magnetoresistiven Elementen. Wenn der Abstand zwischen den Übergängen des magnetischen Flusses in der Länge zunimmt, nimmt die Empfindlichkeit des Magnetkopfes der Erfindung leicht ab, wobei ein Abfall der Amplituden auftritt, wenn die Länge des magnetischen Flusses so lang wird, daß beide der magnetoresistiven Elemente aus dem Medium ein Signal gleicher Polarität gleichzeitig "erkennen".As previously described, the gain increases at shorter wavelengths when the separation of the magnetic flux changes on the medium is of the same order or size as the distance between the magnetoresistive elements. As the distance between the magnetic flux transitions increases in length, the sensitivity of the magnetic head of the invention decreases slightly, with a drop in amplitudes occurring as the The length of the magnetic flux becomes so long that both of the magnetoresistive elements from the medium "recognize" a signal of the same polarity at the same time.
Ein zweites Ausführungsbeispiel wird in der Fig. 7 veranschaulicht, wobei ein Wiedergabekopf 10 mit magnetoresistivem Doppelelement abtastende und gegenseitig magnetisch vorspannende, magnetoresistive Elemente 12, 14 aufweist, die nach magnetoresistiven Merkmalen, dem elektrischem Leistungswiderstand und der geometrischen Form und den Abmessungen angepaßt sind. Die Elemente 12, 14 sind mit einem elektrisch leitfähigen, nichtmagnetischen Distanzhalter 16 zwischen den Elementen 12, 14 in einer Sandwich-Anordnung verbunden. Ein Strom 22, welcher der Abtaststrom und auch der Erregerstrom zur Vormagnetisierung der Elemente 12, 14 ist, fließt in die beiden mit der Sandwich-Anordnung verbundenen Zuleitungen 18, 20.A second embodiment is illustrated in Fig. 7, wherein a dual element magnetoresistive playback head 10 has scanning and mutually magnetically biasing magnetoresistive elements 12, 14 that are matched according to magnetoresistive characteristics, electrical power resistance and geometric shape and dimensions. The elements 12, 14 are connected in a sandwich arrangement with an electrically conductive, non-magnetic spacer 16 between the elements 12, 14. A current 22, which is the scanning current and also the excitation current for biasing the elements 12, 14, flows in the two leads 18, 20 connected to the sandwich arrangement.
Die Teile der Sandwich-Anordnung befinden sich mit ihren ganzen Längen in elektrischem Kontakt und werden deshalb jeden Stromfluß in der Sandwich-Anordnung in Abhängigkeit von ihren relativen Widerständen verteilen. Weil die magnetoresistiven Elemente 12, 14 in den elektrischen Merkmalen (ebenso wie in den magnetischen Merkmalen) angepaßt sind, und wegen der Symmetrie der Sandwich-Anordnung wird sich der Strom 22 in die Teilströme 24, 26, 28 aufteilen, wobei die in die gleiche Richtung durch die magnetoresistiven Elemente 12, 14 fließenden Ströme 24, 26 in der Größenordnung gleich sind und der Rest des Stroms 22, d.h. der Strom 28, in den Distanzhalter 16 fließt.The parts of the sandwich arrangement are in electrical contact over their entire lengths and will therefore distribute any current flow in the sandwich arrangement in dependence on their relative resistances. Because the magnetoresistive elements 12, 14 are matched in electrical characteristics (as well as magnetic characteristics) and because of the symmetry of the sandwich arrangement, the current 22 will split into the partial currents 24, 26, 28, the currents 24, 26 flowing in the same direction through the magnetoresistive elements 12, 14 being of equal magnitude and the remainder of the current 22, i.e. the current 28, flowing into the spacer 16.
In diesem Ausführungsbeispiel wird durch das Vorhandensein des leitfähigen Distanzhalters 28 dem Kurzschlußproblem vorgebeugt. Im Vergleich zu dem Magnetkopf 70 der Fig. 1 liefert der durch den Distanzhalter 16 in den Nebenschluß gelegte Strom 28 keinen Beitrag zur Signalerfassung, und wegen einer gleichmäßigen Verlustleistung ist der Magnetkopf 10 nicht so leistungsfähig wie der Magnetkopf 70. Der Magnetkopf 10 zeigt Verstärkungsmerkmale, die denen ähnlich sind, die in der Fig. 6 für den Magnetkopf 70 gezeigt werden. Wie es in der Fig. 7 ersichtlich ist, wird das Signal vom Band ebenfalls in die Richtung der kurzen Abmessung der magnetoresistiven Elemente 12, 14 angelegt, und es ist deshalb vorteilhaft, die induzierte bequeme Achse entlang dieser Abmessung auszurichten, wie es zuvor für den Magnetkopf 70 beschrieben wurde.In this embodiment, the short circuit problem is prevented by the presence of the conductive spacer 28. In comparison to the magnetic head 70 of Fig. 1, the current shunted by the spacer 16 provides 28 does not contribute to signal detection and because of uniform power dissipation, magnetic head 10 is not as efficient as magnetic head 70. Magnetic head 10 exhibits gain characteristics similar to those shown in Fig. 6 for magnetic head 70. As can be seen in Fig. 7, the signal from the tape is also applied in the direction of the short dimension of the magnetoresistive elements 12, 14 and it is therefore advantageous to align the induced convenient axis along this dimension as previously described for magnetic head 70.
Die Erfindung ist mit besonderem Bezug auf deren bevorzugter Ausführungsbeispiele ausführlich beschrieben worden, es wird aber verständlich sein, daß Veränderungen und Modifizierungen innerhalb des Umfangs der Erfindung bewirkt werden können.The invention has been described in detail with particular reference to preferred embodiments thereof, but it will be understood that changes and modifications can be effected within the scope of the invention.
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